王翊

(北京石油化工工程有限公司，北京 100107)

在石油化工工程設(shè)計(jì)中，儀表設(shè)計(jì)包含控制方案、儀表選型、安裝方案等各個(gè)方面，其中儀表選型合理與否，對(duì)項(xiàng)目的成功實(shí)施至關(guān)重要。儀表選型設(shè)計(jì)與計(jì)算有著十分緊密的聯(lián)系，如果沒(méi)有科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠?jì)算，后續(xù)的裝置開(kāi)車運(yùn)行無(wú)疑是存在風(fēng)險(xiǎn)的。

選型計(jì)算的內(nèi)容很多且比較復(fù)雜，包括： 節(jié)流裝置、流量?jī)x表、控制閥、套管振動(dòng)、差壓變送器遷移等很多方面。這些計(jì)算工作必須要有專業(yè)設(shè)計(jì)軟件才能做到準(zhǔn)確、可靠，目前設(shè)計(jì)院將部分計(jì)算工作委托給儀表廠商進(jìn)行，但若設(shè)計(jì)院不進(jìn)行有效的把控，沒(méi)有第三方軟件的核算，那么儀表選型將有可能因?yàn)槿狈τ行У暮怂愣斐蛇x型失誤。這不僅導(dǎo)致投資增加，甚至可能因儀表選型錯(cuò)誤而造成工程損失。

本文通過(guò)一些工程實(shí)例，介紹在儀表設(shè)計(jì)過(guò)程中，涉及儀表計(jì)算的相關(guān)工作。同時(shí)詳述了如何通過(guò)CONVAL儀表計(jì)算軟件在工程中指導(dǎo)儀表設(shè)計(jì)工作，并解決了工程中的一些實(shí)際問(wèn)題。

1 CONVAL軟件簡(jiǎn)介

CONVAL軟件是一款第三方的專業(yè)計(jì)算軟件，該軟件由德國(guó)F.I.R.S.T GmbH公司研發(fā)，起初作為一款應(yīng)用于控制閥計(jì)算、選型、可靠性診斷的專業(yè)工具，通過(guò)多年的發(fā)展，該軟件功能日益強(qiáng)大，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展為集儀表、控制閥設(shè)計(jì)及系統(tǒng)計(jì)算于一體的專業(yè)設(shè)計(jì)計(jì)算軟件。

該軟件主要功能有： 控制閥計(jì)算包括常規(guī)工況、兩相流、執(zhí)行器推力等；流量計(jì)計(jì)算包括節(jié)流元件、均速管流量計(jì)、楔式、四孔孔板、整體孔板等，以及減溫減壓器、管道、換熱器、爆破片、安全閥、溫度計(jì)套管振動(dòng)、液位計(jì)遷移量、介質(zhì)性質(zhì)模擬計(jì)算等。

2 在工程實(shí)施各個(gè)階段的儀表計(jì)算工作及CONVAL軟件的應(yīng)用

石油化工工程通常因?yàn)橥顿Y較大，其執(zhí)行過(guò)程也會(huì)比較復(fù)雜。工程項(xiàng)目實(shí)施通常包括： 工藝包、預(yù)可研、可研、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、工程施工、安裝調(diào)試、工程開(kāi)車等階段，很多階段都對(duì)儀表計(jì)算有需求。以下根據(jù)工程項(xiàng)目實(shí)施階段，介紹在各階段對(duì)儀表計(jì)算的需求以及應(yīng)用CONVAL軟件解決實(shí)際工程問(wèn)題，同時(shí)也說(shuō)明儀表計(jì)算的重要性。

2.1 工藝包設(shè)計(jì)階段

1)儀表計(jì)算的需求。在工藝包設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工藝對(duì)象的特點(diǎn)、調(diào)節(jié)品質(zhì)及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考慮，有助于工藝包設(shè)計(jì)的合理性。

在該階段進(jìn)行流程模擬時(shí)，一些關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)整通常需要設(shè)計(jì)控制閥。這時(shí)，某些關(guān)鍵工藝管線的閥門壓降對(duì)選用設(shè)備的投資及能量的回收利用十分關(guān)鍵。該階段引入了閥阻比S(也叫壓降比)的概念，它是特定開(kāi)度下的控制閥壓降與管線系統(tǒng)總阻力降之比。S100是指控制閥全開(kāi)時(shí)的閥阻比，而控制閥調(diào)節(jié)性能的好壞直接和S100相關(guān)。S100越大，控制閥的流量特性的畸變就越小，調(diào)節(jié)性能就越能得到保證[1-2]。在相關(guān)的控制閥選型手冊(cè)中通常定義S100大于0.6時(shí)，選擇的控制閥固有流量特性與工作流量特性相同，而當(dāng)S100小于0.3時(shí)，畸變已經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重，必要時(shí)控制閥選型要選低壓降比結(jié)構(gòu)[3]。所以在工藝包設(shè)計(jì)階段，對(duì)于一些關(guān)鍵控制閥有必要進(jìn)行S100的核算，通過(guò)核算確認(rèn)管線控制閥的壓降，既保證了調(diào)節(jié)品質(zhì)，也通過(guò)計(jì)算可節(jié)約裝置動(dòng)力消耗，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)利益。

2)案例。某臺(tái)控制閥，通過(guò)對(duì)操作點(diǎn)以及管線阻力元件綜合評(píng)判生成工作流量特性曲線，如圖1所示。

圖1 控制閥工作流量特性曲線

由圖1可知，該臺(tái)控制閥在小開(kāi)度時(shí)，調(diào)節(jié)性能良好，但當(dāng)開(kāi)度增加到一定程度時(shí)，如圖1中的最大流量工作點(diǎn)Op1，由于流量特性畸變嚴(yán)重，此時(shí)流量的調(diào)節(jié)增益很小，控制回路的調(diào)節(jié)品質(zhì)非常低。該情況有兩種解決方案，一種是增加系統(tǒng)的壓降，另一種是采用兩種流通能力的控制閥，以增大可調(diào)范圍。第一種方案一般不易實(shí)現(xiàn)，該方案通常也會(huì)造成裝置總投資的增加；第二種方案較易實(shí)現(xiàn)，但增加控制閥的數(shù)量。

該控制閥核算在工藝包階段以及之后的工程設(shè)計(jì)階段均可進(jìn)行，通過(guò)核算可有效地輔助工藝模擬，以做到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。

2.2 工程設(shè)計(jì)階段

在工程設(shè)計(jì)階段，儀表設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括： 流量計(jì)計(jì)算、控制閥計(jì)算、溫度計(jì)振動(dòng)計(jì)算等。這些工作雖繁瑣但是很重要，設(shè)計(jì)院在該階段尤其要準(zhǔn)確把握，保證項(xiàng)目順利實(shí)施。

2.2.1 案例一

控制閥品種繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在裝置中重要性很高。通常工程設(shè)計(jì)階段，控制閥設(shè)計(jì)通常是儀表設(shè)計(jì)的難點(diǎn)和重點(diǎn)。在CONVAL軟件中，使用控制閥診斷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型參數(shù)Ri來(lái)衡量控制閥選型是否合理。Ri參數(shù)是F.I.R.S.T GmbH公司分析多年積累的大量的應(yīng)用數(shù)據(jù)后開(kāi)發(fā)的閥門性能分析的KPI參數(shù)。根據(jù)CONVAL軟件中的定義,Ri值范圍在0.5～1.0為低可靠性；如果Ri值大于1，預(yù)測(cè)控制閥會(huì)受到高噪音、閃蒸、空化、高流速等現(xiàn)象的影響，產(chǎn)生高振動(dòng)或加速內(nèi)件磨蝕、腐蝕、脫離、共振從而導(dǎo)致控制閥損壞。筆者通過(guò)多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐，成功運(yùn)用Ri值及CONVAL軟件對(duì)控制閥的選型建議，對(duì)一些苛刻工況下的控制閥進(jìn)行了選型，在項(xiàng)目中均取得了滿意的效果。

例如： 某項(xiàng)目中苛刻工況下的輕烴控制閥計(jì)算見(jiàn)表1所列，該控制閥存在閃蒸工況。通過(guò)CONVAL軟件計(jì)算，初選硬化處理閥芯的控制閥，可得Ri值為0.86，接近1，CONVAL軟件給出了控制閥選型建議，所以項(xiàng)目中選擇了特殊的閥型以確保裝置的長(zhǎng)周期運(yùn)行。該項(xiàng)目的大部分控制閥都通過(guò)CONVAL軟件進(jìn)行了核算，對(duì)于Ri值超標(biāo)的控制閥跟廠商均進(jìn)行了充分溝通，選取了合適的控制閥，為項(xiàng)目一次開(kāi)車成功打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

表1 苛刻工況下的輕烴控制閥計(jì)算示意

續(xù)表1

2.2.2案例二

在工程設(shè)計(jì)階段，流量計(jì)的選型非常重要，也比較復(fù)雜，需要注意流量計(jì)的適用范圍、壓力損失是否滿足工藝要求等方面。

某項(xiàng)目中的乙烯流量計(jì)量程為3 t/h；操作表壓為1.78 MPa；溫度為-35.5 ℃，要求設(shè)計(jì)壓損小于5.0 kPa。工藝包設(shè)計(jì)流量計(jì)為孔板流量計(jì)。經(jīng)過(guò)計(jì)算，孔板流量計(jì)在差壓為10 kPa時(shí)，壓損為7.9 kPa。通過(guò)軟件核算，修改為文丘里流量計(jì)，壓損為3.9 kPa。該項(xiàng)目中，有不少流量計(jì)根據(jù)計(jì)算結(jié)果修改了流量計(jì)類型，不僅滿足了工藝要求，還兼顧了儀表測(cè)量精度。

此外，在工程設(shè)計(jì)階段，有時(shí)還需要配合工藝專業(yè)，根據(jù)控制閥選型反算控制閥開(kāi)度最大時(shí)工藝泄放量，以實(shí)現(xiàn)工藝的安全設(shè)計(jì)要求。比如： 控制閥失氣全開(kāi)，這時(shí)工藝要據(jù)此計(jì)算裝置排放量，如果沒(méi)有計(jì)算軟件，該部分排放量的估計(jì)就沒(méi)有依據(jù)。

又例如： 某裝置緩沖罐壓力控制閥的最大操作流量為1 t/h；選擇CV=19的控制閥。在緊急泄放的情況下，通過(guò)反算，在開(kāi)度100%的情況下，其流通能力為1.9 t/h，遠(yuǎn)大于正常最大流量，通過(guò)該計(jì)算就可以在一定程度上輔助工藝設(shè)計(jì)，以保證在異常工況下的裝置安全性。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段

在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試階段，儀表調(diào)試人員需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝情況，計(jì)算變送器遷移值，以滿足開(kāi)車要求。比如： 現(xiàn)場(chǎng)液位差壓變送器位置往往和設(shè)計(jì)不一致，有時(shí)在下取壓口下方，有時(shí)在上下取壓口中間，這時(shí)需要根據(jù)隔離液和介質(zhì)的密度進(jìn)行換算。在CONVAL軟件中有現(xiàn)成的計(jì)算模塊，應(yīng)用該模塊，可方便地根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況調(diào)整差壓變送器的遷移量。

2.4 試車階段示意

有時(shí)，某些裝置在投料前需要核對(duì)相關(guān)儀表或者動(dòng)、靜設(shè)備是否滿足系統(tǒng)要求，這時(shí)一般是采用一些惰性介質(zhì)進(jìn)行測(cè)試。由于測(cè)試的介質(zhì)及工況與實(shí)際開(kāi)車時(shí)不同，往往此時(shí)儀表示值與開(kāi)車時(shí)的真實(shí)示值差別很大。在這種情況下，調(diào)試組可以根據(jù)聯(lián)調(diào)時(shí)采用的介質(zhì)，用CONVAL軟件對(duì)儀表測(cè)量值進(jìn)行核對(duì)，從而有效地配合試車調(diào)試，為開(kāi)車投料成功保駕護(hù)航。

例如： 某裝置在操作工況時(shí)介質(zhì)為烴類蒸氣，但試車時(shí)采用氮?dú)?。試車階段，因溫度、壓力等參數(shù)均與實(shí)際工況差別很大，在驗(yàn)證換熱器熱效率時(shí)，流量與實(shí)際流量差別很大。這時(shí)，應(yīng)用CONVAL軟件，根據(jù)介質(zhì)變化，按照試車工況，對(duì)孔徑比固定的已有孔板流量計(jì)進(jìn)行反算差壓變送器量程，然后按照實(shí)際量程求出了實(shí)際流量，對(duì)于控制閥也按照試車工況進(jìn)行了核算，求出了不同開(kāi)度下實(shí)際流量。最終驗(yàn)證該換熱器選型合適，滿足了開(kāi)車要求，為該裝置一次成功開(kāi)車奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.5 運(yùn)行階段

隨著裝置的運(yùn)行，某些介質(zhì)的操作參數(shù)會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)部分儀表可能因此而產(chǎn)生誤差，某些控制閥的可調(diào)范圍也可能因此受影響。因此，及時(shí)通過(guò)類似于CONVAL該類第三方計(jì)算軟件進(jìn)行核算，能準(zhǔn)確定位問(wèn)題來(lái)源，保證裝置平穩(wěn)高效地運(yùn)行。

3 CONVAL軟件與工程設(shè)計(jì)軟件的結(jié)合

通過(guò)上述案例，可看出CONVAL軟件在很多方面對(duì)于儀表設(shè)計(jì)計(jì)算提供了有力的技術(shù)支持。但該軟件不僅是一套模擬計(jì)算軟件，還包含了許多廠商的儀表數(shù)據(jù)，且隨著軟件數(shù)據(jù)庫(kù)的進(jìn)一步完善，會(huì)將更多的儀表廠商數(shù)據(jù)進(jìn)入到數(shù)據(jù)庫(kù)中。有了這些儀表數(shù)據(jù)，儀表設(shè)計(jì)人員在各個(gè)設(shè)計(jì)階段都能對(duì)自己的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地核對(duì)，把控設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，為工程項(xiàng)目成功實(shí)施提供有力的保障。

CONVAL軟件還開(kāi)放了COM接口，可通過(guò)該接口將各個(gè)設(shè)計(jì)軟件中閥門、流量計(jì)、溫度計(jì)等的計(jì)算參數(shù)輸入到CONVAL軟件中，生成可供查詢或者核算的計(jì)算數(shù)據(jù)表。選型完成后，還可通過(guò)COM接口將計(jì)算數(shù)據(jù)導(dǎo)入到設(shè)計(jì)軟件中，作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算備份，這樣大幅提高了儀表選型的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化和效率的提高提供了有力的保證。

此外，根據(jù)需要，CONVAL軟件也可以通過(guò)外部文件將廠商數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)中，這樣用戶就可以根據(jù)需要，選擇相應(yīng)廠商的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，從而使得設(shè)計(jì)人員根據(jù)項(xiàng)目需要有效地把控設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，保證工程的成功實(shí)施。

4 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)今工程項(xiàng)目自動(dòng)化程度越來(lái)越高，儀表設(shè)計(jì)也越來(lái)越復(fù)雜，一個(gè)優(yōu)秀的計(jì)算工具可使儀表設(shè)計(jì)師有效地把控儀表設(shè)計(jì)選型的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)當(dāng)今越來(lái)越大型化，系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的工藝裝置成功實(shí)施具有現(xiàn)實(shí)意義。